DE4122162A1 - Verstellpumpe mit einer ueberlagernd wirkenden druckabschneidung und einem zusaetzlichen durckbegrenzungsventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstell­ pumpe, insbesondere eine verstellbare Radialkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verstellpumpen beziehungsweise Radialkolbenpumpen werden überall dort eingesetzt, wo der Förderstrom den Betriebs­ bedingungen angepaßt werden muß. Pumpen dieser Art sind bekannt und sie haben sich auch bestens bewährt und zwar für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle und unter den verschiedensten Betriebsbedingungen.

Einen Überblick über Einsatzmöglichkeiten, Funktionen, Kenngrößen und Maße verstellbarer Radialkolbenpumpen (Typ RKP) gibt der Firmenprospekt "VOITH - hydraulic; G 1153, 2.90, 1000". In diesem Prospekt sind insbesondere auch der Grundaufbau und die Wirkungsweise von Radial­ kolbenpumpen dargestellt und beschrieben (a.a.O. Seite 8/9); darüberhinaus enthält der Prospekt auch eine Funktionsbeschreibung eines Steuergeräts am Beispiel einer Förderstromsteuerung mit Druckabschneidung (a.a.O. Seite 14/15 und 19).

Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß in Verbindung mit hydraulischen Antriebs­ systemen, insbesondere in Verbindung mit sogenannten geschlossenen Kreisläufen, häufig Verstellpumpen mit hydraulischer Ansteuerung eingesetzt werden. Zur verlust­ armen Begrenzung werden diese Verstellpumpen dann mit einer überlagernd wirkenden Druckabschneidung ausge­ rüstet. Gleichzeitig werden aber auch aus Anlagen-Sicher­ heitsgründen zusätzliche Druckbegrenzungsventile einge­ baut, und zwar - entweder nur als Druckspitzenventil zur Begrenzung von Druckspitzen oder als Sicherheits­ ventile für den vollen Förderstrom.

Die Einstellung der Vorrichtungen für die Druckabschnei­ dung einerseits und für die genannten Druckbegrenzungen andererseits erfolgt dabei getrennt. Wird nun der Wert für die Druckabschneidung relativ zum Wert der Druckbe­ grenzungsventile höher eingestellt, so ist die verlust­ arme Druckregelung außer Funktion. Der Betriebsdruck wird im diesem Falle nur durch die Druckbegrenzungsven­ tile begrenzt, d. h. die überschüssige Antriebsenergie wird in Wärmeenergie umgesetzt, mit der Folge, daß die Anlage erwärmt wird und infolge übermäßiger Erwärmung unter Umständen sogar Schaden nehmen oder gar ausfallen kann.

Der soweit beschriebene und im genannten Prospekt wieder­ gegebene Stand der Technik ist im Schaltplanbeispiel entsprechend der Fig. 1 mit vereinfachten Ventil-Sinn­ bildern dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Radialkolbenpumpe 1 mit einer Steuerung 2 zur Einstellung der Förderstrommenge, sowie einem Einspeiseventilblock 3 und einem Spülventil­ block 4.

Die Radialkolbenpumpe 1 umfaßt den eigentlichen Pumpen­ körper 11, der mit den Arbeitsanschlüssen beziehungsweise Arbeitsdruckanschlüssen A und B verbunden ist und dessen Fördervolumen mittels der über einen Verstellkolben 12 einstellbaren Exzentrizität eines Hubrings im Pumpen­ körper 11 eingestellt wird. Die Radialkolbenpumpe 1 umfaßt darüberhinaus zwei Leck- beziehungweise Gehäuse­ spülanschlüsse L.

Die Einstellung des Verstellkolbens 12 und damit der Exzentrizität des Hubrings im Pumpenkörper 11 erfolgt mittels der Steuerung 2, und zwar über die an Steuer­ druckanschlüssen X₁, X₂ anliegenden Steuerdrücke. Je nach Stellung eines Steuerventils 21 kann die Radial­ kolbenpumpe 1 mit unterschiedlichen Förderrichtungen betrieben werden, d. h. der Förderstrom kann wahlweise von A nach B oder von B nach A erfolgen. In der Steuerung 2 ist darüberhinaus ein (Druckbegrenzungs-) Ventil 22 integriert, über das der maximal gewünschte Betriebsdruck eingestellt werden kann. Überschreitet dieser Betriebs­ druck den eingestellten Wert, so wird der jeweilige Steuerdruck (an X₁ oder X₂) und damit der Förderstrom soweit reduziert, daß der eingestellte Druckwert nicht überschritten wird. Der jeweilige Steuerdruck wird dabei über die Stellung eines Wechselkolbens 23 zum Ventil 22 geführt.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Schaltplan ist der Radialkolbenpumpe 1 ein Einspeiseventilblock 3 mit Ein­ speiserückschlagventilen 31 und einem Einspeisedruck­ begrenzungsventil 32 zugeordnet. Das Einspeisedruckbe­ grenzungsventil 32 liegt zwischen einem Einspeiseanschluß E und einem Tankanschluß T.

Dem Einspeiseventilblock 3 ist noch ein Spülventilblock 4 zugeordnet, der zwischen Meßanschlüssen M_A beziehungs­ weise M_B für den jeweiligen Arbeitsdruck (A oder B) ein vorgesteuertes Arbeitsdruckbegrenzungsventil 41 aufweist. An dieses Arbeitsdruckbegrenzungsventil 41 schließt ein zweites Wechselventil 42 an, das über ein Spüldruck­ begrenzungsventil 43 mit einem Spülanschluß S verbunden ist.

Bezugnehmend auf die vorliegende Erfindung ist von zentraler Bedeutung, daß die Einstellung der Druckab­ schneidung am (Druckbegrenzungs-) Ventil 22 der Steuerung 2 und die Einstellung der Druckbegrenzung am Arbeits­ druckbegrenzungsventil 41 des Spülventilblocks 4 erfolgt. Der Druckwert im Arbeitsdruckbegrenzungsventil 41 wird dabei im allgemeinen um cirka 20 bar höher eingestellt als es dem Druckwert des (Druckbegrenzungs-) Ventils 22 der Steuerung 2 entspricht.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Verstellpumpe, insbesondere eine zu verbessern, daß die Einstellwerte für die Druckab­ schneidung einerseits und für die Druckbegrenzung andererseits komplementär zueinander gemeinsam so einge­ stellt werden können, daß die verlustarme Druckregelung in jedem Falle funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Werte für die Druckbegrenzungen der Druckabschneidung einerseits und an den Druckbegrenzungsventilen anderer­ seits über ein gemeinsames Ventil einstellbar sind.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen des gemein­ samen Ventils sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der weiteren Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 2 einen dem Schaltplan nach Fig. 1 entsprechenden Schaltplan einer Radialkolbenpumpe mit einem integriertem Vorsteuerventil zur gemeinsamen Druckeinstellung für die Druckabschneidung und die Druckbegrenzung;

Fig. 3 ein Funktionsschema einer Förderstromsteuerung gemäß dem Schaltplan nach Fig. 2;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Begrenzungsventils;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des modifizierten Vor­ steuerventils zur gemeinsamen Einstellung für die Druckabschneidung und Druckgebrenzung.

Fig. 2 zeigt - analog zu Fig. 1 - die Radialkolbenpumpe 1 mit dem eigentlichen Pumpenkörper 11 und den beiden über das Steuerventil 21 der Steuerung 2 wahlweise saug- und druckseitig aktivierbaren Arbeitsanschlüsse A und B. Der Radialkolbenpumpe 1 ist die Steuerung 2 mit den über die Steuerdruckanschlüsse X₁ beziehungsweise X₂ einstellbaren Wechselkolben 23 zugeordnet; darüberhinaus weist die Steuerung 2 anstelle des Druckbegrenzungs­ ventils 22 gemäß Fig. 1 nunmehr ein modifiziertes Vor­ steuerventil 220 zur gemeinsamen Einstellung der Druck­ abschneidung und der Druckbegrenzung auf.

Das Vorsteuerventil 220 wird durch den jeweiligen Betriebsdruck der Radialkolbenpumpe beaufschlagt und reduziert so den jeweiligen Steuerdruck an den Steuer­ druckanschlüssen X₁ beziehungsweise X₂. Der am Vorsteuer­ ventil 220 eingestellte Betriebsdruck wird somit beim Ansprechen dieses Vorsteuerventils 220 konstant gehalten.

Das Vorsteuerventil 220 ist - anders als das Druckbe­ grenzungsventil 22 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - jedoch nicht als einfach wirkendes, d. h. den Arbeits­ druck an der Radialkolbenpumpe 1 überwachendes Ventil ausgebildet, sondern als doppelt wirkendes Ventil. Dazu ist dieses Vorsteuerventil 220 nicht nur mit den jewei­ ligen Betriebsdrücken (A oder B) beaufschlagt, sondern über eine Verbindungsleitung 50 auch mit einem Begren­ zungsventil 410 im Spülventilblock 4 verbunden.

Das Vorsteuerventil 220 der Steuerung 2 wirkt somit als doppelt wirkendes Druckbegrenzungsventil. Die Vor­ steuerung selbst übernimmt dabei das Vorsteuerventil 220 selbst und die gewünschte Druckdifferenz zwischen dem Einstellwert der Druckabschneidung an sich und dem Grenzwert des Vorsteuerventils 220 wird zum Beispiel über eine Feder (vergleiche Feder 105 in Fig. 4) im Begrenzungsventil 410 eingestellt beziehungsweise vorge­ geben.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Radialkolben­ pumpe und ein Funktionsschema eines Steuergeräts zur Förderstromsteuerung mit einem in diese Steuerung inte­ grierten gemeinsamen Vorsteuerventil 220 zur Einstellung der Druckbegrenzungen für die Druckabschneidung und die Druckbegrenzung an sich, sowie mit einem Begrenzungs­ ventil 410.

Die Radialkolbenpumpe nach Fig. 3 besteht aus einem Pumpengehäuse 60 und einem im Gehäuse beziehungsweise in einem Hubring 61 des Gehäuses exzentrisch drehenden Zylinderstern mit einer Mehrzahl - nicht dargestellter - Verdrängerkolben zur der Drehung des Zylindersterns entsprechenden periodischen Volumenänderung. Das zwischen den Arbeitsanschlüssen A und B geförderte Fördervolumen hängt vom Hub der Verdrängerkolben und damit von der Exzentrizität des Zylindersterns relativ zum Pumpen­ gehäuse 60 ab.

Diese Exzentereinstellung erfolgt über einen druckbeauf­ schlagten Verstellkolben 62 und einen im Gehäuse 60 gegenüberliegenden betriebsdruckbeaufschlagten Gegen­ kolben 63.

Das Steuergerät 2 gemäß Fig. 3 funktioniert wie folgt:

Eine doppelt wirkende Meßfeder 65 hält einen Steuer­ schieber 66 in Mittellage. Gleichzeitig drückt eine Verstellfeder 67 eine Federhülse 68 fest an den Boden des Verstellkolbens 62. Ein von außen über die Steuer­ druckanschlüsse X₁, X₂ angelegter Steuerdruck leitet nun über einen der Steuerkolben 69, einen Hebel 70 und den Steuerschieber 66 die Verstellung des Hubrings 61 ein.

Der Steuerdruck liegt am Steuerdruckanschluß X₁ an. Der Steuerschieber 66 wird dadurch nach links bewegt und verbindet den Verstellkolbenraum mit dem Tankan­ schluß. Da der Druck im Arbeitskreis immer auf den Gegen­ kolben 63 wirkt, wird über den Gegenkolben 63 der Hubring 61 mit dem Verstellkolben 62 nach rechts bewegt. Durch diese Bewegung wird die Meßfeder 65 zunehmend gespannt. Bei Kräftegleichgewicht zwischen Meßfeder- und Steuer­ druckkraft sind die Steuerquerschnitte wieder geschlossen und der Verstellvorgang selbst ist abgeschlossen.

Liegt der Steuerdruck am Steuerdruckanschluß X₂ an, so wird der Steuerschieber 66 dadurch nach rechts bewegt und verbindet den Verstellkolbenraum mit der Verbindungs­ leitung zum Arbeitskreis. Der Druck im Arbeitskreis wirkt nun auf den Verstellkolben 62 und den Gegenkolben 63. Da die Verstellkolbenfläche 63 doppelt so groß ist wie die Gegenkolbenfläche, werden über den Verstellkolben 62 der Hubring 61 und der Gegenkolben 63 nach links bewegt, wobei wiederum die Meßfeder 65 zunehmend gespannt wird. Das Ende des Verstellvorgangs ist ebenfalls bei Kräftegleichgewicht am Steuerschieber 66 erreicht.

Das geometrische Verdrängungsvolumen der Radialkolben­ pumpen kann damit proportional einem als Steuerdruck an den Steuerdruckanschlüssen X₁ beziehungsweise X₂ entsprechenden Eingangssignal eingestellt werden. Das Grundsystem erlaubt die Anpassung des Verstellpumpen­ systems an unterschiedliche Steuersignale wie zum Bei­ spiel hydraulischer Steuerdruck, pneumatischer Steuer­ druck oder elektrische Signale (Kraftumwandlung über Proportionalmagnete).

Das soweit funktionell und konzeptionell beschriebene Steuergerät 2 einer Radialkolbenpumpe 1 ist Stand der Technik. Dabei sind auch überlagernd wirkende Begren­ zungen, wie zum Beispiel Druckabschneidung relativ ein­ fach zu realisieren. Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 wird die Druckabschneidung über das Vorsteuerventil 220 realisiert, an dem der maximal gewünschte Betriebs­ druck eingestellt wird. Überschreitet dieser Betriebs­ druck diesen eingestellten Wert, so wird der jeweilige Steuerdruck an den Steuerdruckanschlüssen X₁ beziehungs­ weise X₂ und damit der Förderstrom der Pumpe soweit reduziert, daß der eingestellte Druckwert nicht über­ schritten werden kann. Die Druckabschneidung wirkt bei beiden Förderrichtungen und der jeweilige Steuerdruck wird über die Stellung des Wechselkolbens 23 zum Vor­ steuerventil 220 geführt.

Wie bereits anhand des Schaltplans nach Fig. 2 erläutert, ist das Vorsteuerventil 220 über die Verbindungsleitung 50 so mit dem Begrenzungsventil 410 des Spülventilblocks (4 nach Fig. 2) gekoppelt und dieses Begrenzungsventil 410 ist konstruktiv so ausgebildet, daß die Druckab­ schneidung um einen entsprechend einer Feder 105 - ver­ gleiche Fig. 4 - vorgegebenen Druckwert niedriger als die Druckbegrenzung anspricht. Dabei übernimmt im Normal­ fall die Druckabschneidung auch die Begrenzung der Betriebsdrücke. Treten jedoch zum Beispiel durch endliche Stellzeit der Pumpe oder durch Störungen im Verstell­ system der Pumpe temporär höhere Betriebsdrücke auf, so werden diese höheren Betriebsdrücke dann durch das Begrenzungsventil 410 begrenzt.

Die - in Fig. 4 dargestellte - konstruktive Gestaltung und Wirkungsweise des Begrenzungsventils 410 ist wie folgt.

Das Kernstück des Begrenzungsventils 410 ist ein Ventil­ kolben 100. Dieser Ventilkolben 100 weist eine Kreis­ fläche 101 auf, welche von der Druckseite A, d. h. vom Arbeitsdruckanschluß A her druckbeaufschlagt wird. Ferner weist der Ventilkolben 100 zwei Kreisringflächen 102 und 103 auf. Die Kreisringfläche 102 wird dabei von der Druckseite B, d. h. vom Arbeitsdruckanschluß B her druckbeaufschlagt; die Kreisringfläche 103 ihrerseits wird mit dem jeweils aktuellen Arbeitsdruck, d. h. A oder B druckbeaufschlagt. Die genannten drei Teilfächen sind je gleich groß (F₁₀₁ = F₁₀₂ = F₁₀₃).

Im Ruhe- beziehungsweise Normalzustand wird der Ventil­ kolben 100 über eine Feder 105 gegen seinen Sitz 106 gedrückt, wodurch das Begrenzungsventil 410 geschlossen ist. Die Kreisringfläche 103 wird über einen Anschluß 107, eine Blende 108, eine Leitung 109 und einen Ringraum 110 mit dem jeweiligen Betriebsdruck A oder B beauf­ schlagt.

Der Anschluß 107 ist mit dem Druckbegrenzungsventil 22 (vergleiche Fig. 2) der Druckabschneidung über die Verbindungsleitung 50 verbunden. Steigt nun der Betriebs­ druck an den Arbeitsdruckanschlüssen A oder B an, so steigt dementsprechend auch der Druck (A oder B) im Ringraum 110. Der Druck im Ringraum 110 kann jedoch nur bis zu dem eingestellten Druckwert des Druckbegren­ zungsventils 220 ansteigen . . . dann bleibt dieser Wert konstant.

Würde nun der Arbeitsdruck an den Arbeitsdruckanschlüssen A oder B weiter ansteigen, so würde der Ventilkolben 100 von seinem Sitz 106 abheben und die Arbeitsdruckan­ schlüsse A und B miteinander verbinden, d. h. kurz­ schließen. Damit kann auch dieser erhöhte Druck begrenzt werden.

Der Anstiegswert über den Druck im Ringraum 110 wird dabei durch die Größe der Kreisringflächen 101 bezie­ hungsweise 102 und die Kraft der Feder 105 bestimmt.

Fig. 4 zeigt das neue Vorsteuerventil 220, wie es in die Darstellung nach Fig. 3 integriert werden kann be­ ziehungsweise zu integrieren und mit dem Begrenzungs­ ventil 410 funktional zu verbinden ist.

Das Vorsteuerventil 220 besteht im Prinzip aus einem Gehäuse 221, in dem ein Steuerschieber 222 läuft. Das Gehäuse 221 und der Steuerschieber 222 bilden gemeinsam die beiden Steuerkanten 223, 224.

Über eine (in der Zeichnung die linke) Steuerkante 223 wird der an den Steuerdruckanschlüssen X₁ und X₂ an­ liegende Steuerdruck P_ST beeinflußt, und über die zweite Steuerkante 224 wird der Hochdruck P_HD, der zum Beispiel an der Verbindung 50 gemäß Fig. 2 und Fig. 3 ansteht begrenzt. Über eine Einstellschraube 226 wird eine Feder 225 vorgespannt und damit der am Anschluß 227 anstehende Betriebsdruck eingestellt und begrenzt.

Die Überdeckung Ü des Vorsteuerventils 220 kann so gewählt werden, daß erst der Steuerdruck P_ST an einem Anschluß 228 auf Null reduziert wird und dann sofort die Steuerkante 224 öffnet, oder daß der Hoch­ druck P_HD am Anschluß 227 erst um einen Betrag weiter steigen muß (zum Beispiel um 20 bar) und erst dann die Steuerkante 224 öffnet.

Im letzteren Fall wird die Feder 105 im Begrenzungs­ ventil 410 gemäß Fig. 3 dann relativ schwach ausgelegt.

Claims (5)

1. Verstellpumpe insbesondere verstellbare Radialkolbenpumpe, mit einer überlagernd wirkenden Druckabschneidung der Förderstromsteuerung und mit mindestens einem Druckbegrenzungsventil, daduch gekennzeichnet, daß zur Einstellung konjugierter Werte für die Druck­ begrenzungen der Druckabschneidung einerseits und am Druckbegrenzungsventil andererseits ein gemein­ sames Vorsteuerventil (220) vorgesehen ist.

2. Verstellpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vorsteuerventil (220) über eine Verbindungs­ leitung (50) mit einem Begrenzungsventil (410) ver­ bunden ist, das einen Ventilkolben (100) mit einer Kreisfläche (101) und zwei Kreisringflächen (102, 103) jeweils gleicher Fläche aufweist, und
daß die Kreisfläche (101) und eine der Kreisring­ flächen von je einem Betriebsdruck (A beziehungsweise B) und die zweite Kreisringfläche über ein Wechsel­ ventil jeweils mit dem aktuellen Betriebsdruck (A oder B) beaufschlagt wird.

3. Verstellpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (100) im Begrenzungsventil (410) über eine Feder (105) einstellbar ist.

4. Verstellpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung einer Druckdifferenz zwischen der Druckabschneidung und der Druckbegrenzung in den Steuerleitungen Blenden integriert sind.

5. Verstellpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zwischen der Druckabschneidung und der Druckbegrenzung in den Steuerleitungen durch eine entsprechende Überdeckung (Ü) am Vorsteuerventil (220) einstellbar ist.